具有物理層診斷系統的電路的製作方法

2023-07-19 07:43:06 2

專利名稱：具有物理層診斷系統的電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有物理層診斷系統的電路，所述物理層診斷系統尤其但並非唯 一地被用作改進的現場總線物理層診斷系統。
背景技術：
現場總線(Fieldbus或field bus)是用於實時分布式控制的工業計算機網絡協 議系列的名稱，現在被標準化為IEC 61158。複雜的自動化工業系統，例如燃油精煉廠，通常 需要有組織的控制器系統體系來運作。在此體系頂層存在人機接口(HMI)，其中操作者可以 監視或作業系統。這一般經由時間不關鍵的通信系統(例如乙太網)連結到可編程邏輯控 制器(PLC)的中間層。在控制鏈底層是現場總線，所述現場總線把PLC連結到實際上完成 工作的組件，諸如傳感器、致動器、電動機、控制臺照明燈、開關、閥和接觸器。現場總線常常用在本質安全環境中，例如易燃氣氛，並且特別是氣體族類別IIC、 氫氣和乙炔，並且下面例如是針對氣體和/或灰塵的氣體族IIB和IIA。使用現場總線協議， 在這種環境中的現場儀器和設備由本質安全電路來供電，該電路也用於遠程控制和監視現 場儀器。近幾年用於IEC 61158類型網絡的現場總線物理層診斷已經被成功引入主流 加工產業。例如，圖1示出了典型的電力和通信電路，包括電源1、中繼線部分(trunk section) 2、設備耦合器3和與之連接的支路部分(spur section) 4 設備5被安裝在支路 部分4上，並且在使用中它們向安裝在中繼線部分2上一定距離處的控制系統6發送數據 信號。診斷模塊7也被安裝到中繼線部分2上(通常位於與控制系統6相同的位置)，並且 它通過測量與網絡硬體相關聯以及部分地與用於通信的物理軟體或協議相關聯的物理層 變量來工作。然而，像模塊3那樣的已知診斷模塊只是測量物理層變量並且向控制系統6發送 此信息以用於進一步診斷，或者如果監視的變量突破了一個或多個預定閾值則產生簡單警 報。為了建立這種功能，這些閾值必須被編程到診斷模塊3中，這是費時的。還可能產生人 為錯誤。當在實現之前設計像在圖1中所示出的現場總線電路時，設計者使用軟體工具來 建立電路模擬，其可以被測試。這種軟體工具是分段檢查器(Segment Checker)開放軟體 工具。分段檢查器支持用於基礎現場總線HI和Profibus PA的集中和分布式現場總線體 繫結構，並且它便於設計和模擬測試可能的現場總線分段以便檢查它們的真實性。在分段 檢查器上建立的模擬電路設計或其它類似的程序包括設計電路的物理層屬性，例如總計分 段電流、設備標籤、電纜長度、電纜類型等。然而，像上面描述的那樣建立的電路設計並未結合到實際電氣電路的操作功能 中。通常電路設計被電子存儲到實際電路的控制系統中，但是其僅用於將來的人工參考和 維修記錄。因此，迄今為止IEC61158物理層設計軟體和實際監視的物理層數據從未以自動方式被相關，並且沒有診斷系統具有用於執行這種相關的基礎結構。用於針對電路設計驗 證所監視的物理層數據的唯一方式是在已經進行監視一段時間之後手動進行，這不允許瞬 時的故障檢測和校正。另外，當手動比較數據時可能出現錯誤。

發明內容
本發明旨在克服上述一些問題。
因此，根據本發明，一種電路包括電源、一個或多個設備、和診斷系統，其中所述診 斷系統包括監視裝置，適合於監視電路的物理層特徵；資料庫，包含用於所述電路的電路設 計數據；和比較器裝置，適合於通過把監視的所述電路的物理層特徵與所述電路設計數據 相比較來診斷監視的所述電路的物理層特徵的狀態。利用此方案，診斷模塊可以直接把監視的電路的物理層特徵與該電路的原始設計 相比較。因而診斷模塊具有有效的信息資料庫，據此比較實時的輸入數據並且診斷比原先 可以診斷的更多類型的故障。例如，電路設計可以包括三個現場設備，每個現場設備抽取不 同的電流。如果電路中的監視的電流下降的量基本上與那些設備之一相同，那麼診斷模塊 可以通過參照電路設計數據來診斷該特定設備的故障。電路設計數據可以包括由電路設計工具產生的電路設計，並且可以包括多個正常 操作基準(normal operating reference)。這些基準可以是以下中的一個或多個電路 設計的電壓和/或電流電平；電路設計的電纜的長度和/或類型和/或電阻和/或身份 (identity)；結合到所述電路設計中的設備的信號幅度和/或身份；結合到所述電路設計 中的設備耦合器的操作參數。在本發明的增強版本中，監視裝置能夠適合於監視外部影響，所述外部影響可能 對電路操作有影響，例如像電路周圍的氣溫、壓力和溼度的大氣條件，以及像一天或一年的 時間的因素。用於提供這種信息的傳感器和時鐘是已知的。與此相符，正常操作基準可以 根據這些外部影響的變化而改變。例如根據該設計，在80華氏度的正常電流可能不同於在 20華氏度的正常電流。然後比較器裝置可以適合於通過把監視的電路的物理層特徵與根據 所監視的主要的外部影響的正常操作基準相比較來診斷其狀態。此方案提供了可適應的實 時及實際條件(real-time real-condition)的診斷。本發明的電路設計可以使用任何已知的軟體程序來產生，然而在優選的構造中， 所述電路設計可以包括由分段檢查器開放軟體程序產生的分段檢查器電路設計。此程序由 申請人:及其競爭對手用來為他們的客戶設計和測試現場總線電路，因而電路設計對於任何 實施的電路來說始終是已經存在的。因此，由診斷系統所使用的正常操作基準不必作為獨 立的過程被創建和輸入。這有助於避免程序設計錯誤，並且減少了實現有效的診斷系統的 時間和成本。優選地是，診斷系統包括診斷模塊，所述診斷模塊包括其上加載有控制程序的操 作系統。資料庫也可以被加載到作業系統上。控制程序可以包括監視子程序，適合於從電 路接收物理層數據；比較子程序，適合於把所述物理層數據與在資料庫中存儲的正常操作 基準相比較；和故障警告子程序，適合於當所述物理層數據與正常操作基準偏離預定餘量 時產生故障信號。可以用來建立這種軟體的方式是公知的，並且本領域技術人員能夠在不 依靠創造性勞動的情況下實施這些功能。
監視子程序還可以適合於從與該電路一起使用的外部傳感器接收外部影響數據。 因此，故障警告子程序可以適合於當所述物理層數據與根據主要的被監視的外部影響的正 常操作基準偏離預定餘量時產生故障信號。同樣，本領域技術人員能夠實施這些功能。在本發明的一個版本中，比較子程序可以適合於通過操作由監視子程序接收的物 理層數據和/或正常操作基準來對電路的一個或多個未知特徵進行推斷計算。例如，比較 子程序可以通過計算監視的設備信號電平的衰減，然後將其與形成電路設計一部分的已知 電纜和設備特徵相比較，來計算實際的電纜長度。診斷模塊可以進一步包括屏幕，並且控制程序可以包括圖形界面子程序，適合於 在屏幕上產生與由監視子程序接收的物理層數據和外部影響數據、和/或在資料庫中所存 儲的電路設計的正常操作基準、和/或由故障警告子程序所產生的故障警告相關的圖形。 這允許操作者直接訪問診斷模塊。作為上述方案的替代或除上面以外，所述電路可以包括適合於向和從一個或多個 設備發送和接收數據信號的控制系統，並且診斷模塊可以包括被連接到所述控制系統的輸 入/輸出。診斷模塊可以適合於向控制系統發送由監視子程序所接收的物理層數據和外部 影響數據、和/或在資料庫中所存儲的電路設計的正常操作基準、和/或由故障警告子程序 所產生的故障警告。應當理解，在實踐中存在可以將診斷應用於電路的各種方式，其一部分通過控制 室，並且一部分延伸到本質安全現場中。診斷模塊可以被布置在控制室自身內，在這種情況 下可以不需要屏幕，或者它可以位於現場，在這種情況下需要屏幕或其它接口。另外，在控 制室之中或之外，診斷模塊可以把本發明的上述所有功能包括在單個單元中，或者診斷系 統可以被結合到控制系統中，在這種情況下本發明的上述功能可以分散在更大的控制和監 視系統內。如上面所提及，本發明優選地被用作本質安全電力和通信現場總線電路，其符合 IEC 61158協議，不過應當理解，這並不是必須的。還應當理解，可以通過將診斷模塊改裝到現有的電路來建立根據本發明的電路。 因此，根據本發明的第二方面，提供了一種診斷系統，供如在下面的權利要求1到12中任何 一項所述的電路使用。


可以依照各種方式執行本發明，但是現在以舉例方式並且參考附圖描述一個實施 例，其中圖1是包括診斷系統的現有技術電路的示意圖；圖2是根據本發明的電路的示意圖；圖3是在圖2中所示出的診斷模塊的框圖；圖4和5是用於創建圖3中所示出的電路設計的分段檢查器軟體程序的屏幕截 圖。
具體實施例方式如圖2所示，電路包括電源1、採用現場設備5形式的一個或多個設備、採用診斷模塊7形式的診斷系統，所述診斷系統包括下面進一步描述的控制程序8。診斷系統7包括 在圖3中所示出的採用監視子程序9形式的監視裝置、和資料庫10，所述監視裝置適合於 監視電路的物理層特徵，所述資料庫10包含用於所述電路的電路設計數據11。診斷系統 7還包括採用比較子程序12形式的比較器裝置，適合於通過把監視的電路的物理層特徵與 電路設計數據11相比較來診斷其狀態。電路是像在圖1中所示出那樣構造的現場總線電路，並且其中相同的構成部分使 用同樣的附圖標記。具體地，電路包括中繼線部分(trunk section) 2、設備耦合器3、和與 之連接的支路部分(spursecti0n)4。現場設備5被安裝在支路部分4上，並且在使用中它 們向控制系統6發送數據信號。中繼線部分2不是本質安全的，而支路部分4藉助結合到 設備耦合器3中的系統被實現為本質安全的。任何已知的方法可以用來使支路4是本質安 全的。電源1和控制系統6位於控制室13中，並且其餘的電路位於現場中。診斷模塊7被 示為安裝到在控制室13外部的中繼線部分2上，但是如果希望的話也可以把診斷模塊7置 於控制室內，並且在圖2中用虛線示出此候選方式作為一種可能。就其監視功能而言，診斷模塊7按照與已知系統相同的方式來工作，並且測量與 網絡硬體相關聯以及部分地與用於在現場設備5和控制系統6之間通信的物理軟體或協議 相關聯的物理層變量。然而如圖2中所圖示，診斷模塊7具有控制程序8和資料庫10來增 強其功能。現在參照圖3，診斷模塊7包括作業系統14，所述作業系統14其上加載有控制程 序8和資料庫10。控制程序8包括監視子程序9、比較子程序12、圖形界面子程序15和故 障警告子程序16。資料庫10上加載有電路設計11，包括多個正常操作基準17。為了便於 解釋，在圖3中示出了六個基準17，但是應當理解，在實踐中此數目可能會大得多。基準17 包括以下一個或多個的圖表(figure)電路設計的電壓和/或電流電平；電路設計的電纜 的長度和/或類型和/或電阻和/或身份；結合到所述電路設計中的設備的信號幅度和/ 或身份；結合到所述電路設計中的設備耦合器的操作參數，以及任意其它這種因素。當特定的基準17涉及物理層變量時，例如電壓電平，那麼所述基準是電路的期望 電壓電平的圖表。當特定的基準17涉及靜態特徵或標識符時，例如電纜長度或現場設備標 籤，那麼基準可以是該圖表或文本標識符。當特定的基準17可能受一個或多個外部影響(例如氣溫)的影響時，則該基準17 包括根據該外部影響的級別改變的一系列圖表。當可以由多個外部影響改變基準17時，那 麼該基準17可以包括用於根據兩個或多個可變因素生成給定結果的算法。診斷模塊7還包括到電路18的連接，藉此它監視各個物理層特徵。它還包括到外 部傳感器19的連接，藉此它監視多個外部影響，例如電路周圍的氣溫、壓力和溼度。這些傳 感器並未在附圖中示出，但是應當理解，這種傳感器是公知的並且可以容易地連接到診斷 模塊7。如上所述，來自外部傳感器的輸入數據被饋送到監視子程序9，並且當此數據是影 響一個或多個基準17的因素時比較子程序12參考此數據。另外，診斷模塊7包括內部時鐘20，藉此比較子程序12可以參照一天的時間或一 年的時間，其也可以是分解為一個或多個基準17的外部影響。當來自電路和/或外部傳感器的輸入數據與基準17偏離預定餘量時(如按照比 較子程序12所執行的比較所確定的)，故障警告子程序16適合於產生故障警告。
診斷模塊7進一步包括屏幕21，並且圖形界面子程序15適合於在屏幕21上產生 與由監視子程序9在使用中所接收的物理層數據和外部影響數據相關的圖形。它還在屏幕 21上產生與由故障警告子程序16在使用中所產生的故障警告相關的圖形，如上所述。屏幕 還可以顯示在資料庫中所存儲的基準17。診斷模塊7包括接口密鑰(未示出)，適合於允 許這些各種不同類型的數據由操作者訪問。這種系統是已知的。除此之外，診斷模塊7包括輸入/輸出22，藉此它連接到控制系統6。控制程序8 向控制系統6發送與由監視子程序9在使用中所接收的物理層數據和外部影響數據以及由 故障警告子程序16在使用中所產生的任何故障警告相關的數據。指示怎樣以及何時把此 數據發送到控制系統的協議可以由實現系統的那些人來建立，並且應當理解，可以適當地 進行任何適當的配置。控制系統6還可以向診斷模塊7發送命令數據以便改變其操作程序或改變基準 17。同樣，實現這點的方式以及功能級別對本發明來說也不是必須的，並且可以根據特定的 場地要求以任何適當的方式實現。(控制程序8執行由這裡描述的診斷模塊7所執行的一般處理動作，然而應當理 解，在實踐中程序以複雜的方式與計算機作業系統上的其它程序相交互以便執行它們的功 能。圖3是旨在示出診斷模塊7的基本操作特點的簡單示圖，並且為了便於說明，在少量圖 示的子程序之間劃分這些功能。然而應當理解，在實踐中這種清楚定義的邊界可能是不適 當的，並且存在任意數目的其它標準程序和子程序，它們並未被示出但是控制程序8需要 這些程序以便進行操作。圖3僅旨在被理解為本發明的各個特徵以及它們相互之間怎樣進 行交互的示意圖。)使用分段檢查器開放軟體程序來產生電路設計11。圖4和5示出了分段檢查器程 序的屏幕快照，並且圖示了其一些功能。例如，圖4示出了程序的圖形界面部分，其中在特 定的配置中可以利用相互連接的各個組件來建立電路設計。圖5示出了程序的物理層特徵 檢查部分，其中測試在電路設計的各個部分的電流和電壓。電路設計可以保存在分段檢查器中，並且該保存的文件包含與在軟體的正常使用 期間產生的電路設計相關的所有數據。在資料庫中所存儲的電路設計11是這種文件，並且 構造控制程序8以便能夠與該保存的文件接口並且訪問相關數據。應當理解，熟練的軟體 工程師將能夠在不依靠創造性投入的情況下創建可以實現該結果的軟體。因此，在使用中，電路被操作並且診斷模塊7按已知方式檢測電路的各種物理層 特徵。診斷模塊7還接收來自外部傳感器的外部影響數據和來自時鐘20的數據。然後比 較子程序12獲取此輸入數據並且把它與電路設計11中的基準17相比較。在輸入數據在 給定公差範圍內與電路設計11中的數據一致的情況下，診斷模塊7不會產生動作。然而， 當輸入數據偏離於電路設計11中的數據時，故障警告子程序16發出適當的警報，所述警報 在屏幕21上顯示或者被發送到控制系統6，使得可以採取適當的動作。輸入數據可以通過突破閾值(例如特定大小的電壓降)而偏離電路設計11中的 數據，或者僅因為它是不正確的而偏離於電路設計11中的數據，例如如果錯誤的設備被錯 誤地連接到電路，那麼設備標籤可能是不正確的。同樣，如果電路設計11包含用於表明中繼線部分2的長度很短的基準17，但是來 自電路的輸入數據包括與這種短中繼線部分2不相容的高信號衰減，那麼可以產生警報。在已知系統的情況下，可能不會出現這種警告。比較子程序12還可以根據接收的數據來進行推斷計算。例如，電路設計可以包括 三個現場設備，每個現場設備抽取不同的電流。如果電路中的監視到的電流下降的量基本 上與那些設備之一相同，則診斷模塊7可以推斷該特定設備已經出現故障，並且可以產生 適當的故障警告。另外，比較子程序12可以通過操作輸入數據和基準17來對電路的一個或多個未 知特徵進行基本推斷計算。例如，如果中繼線部分2的長度不是已知的，則比較子程序12 可以通過計算監視的設備信號電平的衰減，然後將其與形成電路設計一部分的已知電纜和 設備特徵相比較，來推斷中繼線部分2的長度。可以自動地或者響應於從控制系統6發送 到診斷模塊7的命令來執行這種計算。這類功能可以應用於所有參數，並且可以利用諸如 傅立葉分析之類的分析來有效地工作。本發明的第二方面定義了如權利要求1到12中任何一項所述的診斷模塊。應當 理解，在圖3中所示出的診斷模塊7可以是適於現有電路的改裝部件(retro-fit unit)，由 此這提供了對本發明第二方面的支持。在不脫離權利要求1範圍的情況下可以修改上述電路。例如，在(圖2中所表明 的)一個替換實施例中，診斷模塊7可以位於控制室13以及控制系統6中。利用這種構造， 可以不需要獨立的屏幕和圖形界面子程序。在另一替換實施例(未示出)中，本發明的診 斷系統被結合到控制系統中，在這種情況下，本發明的上述功能分散在更大的控制和監視 系統內。在另一替換實施例(未示出)中，診斷模塊可以是適合於被應用於電路的各個部 分的移動單元。這種移動診斷模塊包括時域反射計(time domain reflectormetry)。因此，本發明提供了一種診斷系統，用於把監視的電路的物理層特徵直接與該電 路的原始設計相比較。因而診斷系統具有有效的信息資料庫，據此比較實時及實際條件的 輸入數據並且診斷比原先可以診斷的更多類型的故障。另外，此方案是有益的，這是因為它 將現有的電路設計用於輔助目的，這增加了其功能和有用性，並且也使得不需要專門編程 診斷系統，這種編程是昂貴的、費時的並且可能包含錯誤。
權利要求
一種電路，包括電源、一個或多個設備、和診斷系統，其中所述診斷系統包括監視裝置，適合於監視電路的物理層特徵；資料庫，包含用於所述電路的電路設計數據；和比較器裝置，適合於通過把監視的所述電路的物理層特徵與所述電路設計數據相比較來診斷監視的所述電路的物理層特徵的狀態。
2.如權利要求1所述的電路，其中所述電路設計數據包括由電路設計工具產生的電路 設計，並且包括多個正常操作基準。
3.如權利要求2所述的電路，其中所述正常操作基準包括以下中的一個或多個電路 設計的電壓和/或電流電平；電路設計的電纜的長度和/或類型和/或電阻和/或身份；結 合到所述電路設計中的設備的信號幅度和/或身份；結合到所述電路設計中的設備耦合器 的操作參數。
4.如權利要求3所述的電路，其中所述監視裝置適合於監視外部影響，其中所述正常 操作基準根據外部影響的變化而改變，並且其中所述比較器裝置適合於通過把監視的電路 的物理層特徵與根據主要的所監視的外部影響的正常操作基準相比較來診斷監視的所述 電路的物理層特徵的狀態。
5.如權利要求4所述的電路，其中由所述監視裝置監視並且被結合到電路設計中的外 部影響包括以下中的一個或多個氣溫；氣壓；空氣溼度；一天中的時間；一年中的時間。
6.如權利要求5所述的電路，其中所述電路設計包括由分段檢查器開放軟體程序產生 的分段檢查器電路設計。
7.如權利要求6所述的電路，其中所述診斷系統包括診斷模塊，所述診斷模塊包括其 上加載有控制程序的作業系統，其中所述資料庫被加載到所述作業系統上，其中所述控制 程序包括適合於從所述電路接收物理層數據的監視子程序、適合於把所述物理層數據與 存儲在所述資料庫中的正常操作基準相比較的比較子程序、以及適合於當所述物理層數據 與所述正常操作基準偏離預定餘量時產生故障信號的故障警告子程序。
8.如權利要求7所述的電路，其中所述監視子程序適合於從與所述電路一起使用的外 部傳感器接收外部影響數據，並且其中所述故障警告子程序適合於當所述物理層數據與根 據主要的所監視的外部影響的正常操作基準偏離預定餘量時產生故障信號。
9.如權利要求8所述的電路，其中所述比較子程序適合於通過操作由所述監視子程序 所接收的物理層數據和/或正常操作基準來對電路的一個或多個未知特徵進行推斷計算。
10.如權利要求9所述的電路，其中所述診斷模塊進一步包括屏幕，並且其中所述控制 程序包括圖形界面子程序，適合於在屏幕上產生與由監視子程序接收的物理層數據和外部 影響數據、和/或存儲在資料庫中的電路設計的正常操作基準、和/或由所述故障警告子程 序產生的故障警告相關的圖形。
11.如權利要求10所述的電路，其中所述電路包括適合於向和從一個或多個設備發送 和接收數據信號的控制系統，其中所述診斷模塊進一步包括被連接到所述控制系統的輸入 /輸出，並且其中所述診斷模塊適合於向所述控制系統發送由所述監視子程序所接收的物 理層數據和外部影響數據、和/或存儲在資料庫中的電路設計的正常操作基準、和/或由所 述故障警告子程序產生的故障警告。
12.如先前權利要求中任何一項所述的電路，其中所述電路是本質安全電力和通信現 場總線電路，其符合IEC 61158協議。
13. 一種用於如權利要求1到12中任何一項所述的電路的診斷系統。
全文摘要
一種電路，包括電源、一個或多個設備、和診斷系統，其中所述診斷系統包括監視裝置，適合於監視所述電路的物理層特徵；資料庫，包含用於所述電路的電路設計數據；和比較器裝置，適合於通過把監視的所述電路的物理層特徵與所述電路設計數據相比較來診斷所述物理層特徵的狀態。
文檔編號G05B19/05GK101878456SQ200880118272
公開日2010年11月3日 申請日期2008年11月28日 優先權日2007年11月30日
發明者G·羅格爾, R·卡特徹內爾, S·格拉貝爾 申請人:倍加福有限公司